2014_velichko

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

Физические принципы работы ПЭМ

В электронной микроскопии контраст получаемых изображений обусловлен тем или иным процессом взаимодействия первичного электронного пучка с веществом. В просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изображение формируется электронами, проходящими через образец, которые фокусируются электрическими и магнитными полями соответствующих линз. В основе метода ПЭМ лежат процессы упругого рассеяния и дифракции быстрых электронов.

Экспериментальное оборудование. Оптическая схема и принцип действия ПЭМ

Просвечивающий электронный микроскоп состоит: 1) из электронной пушки; 2) ряда конденсорных линз; 3) объективной линзы и 4) проекционной системы, заключенных в вертикальную колонну, в которой поддерживается вакуум примерно 10–2…10–3 Па.

Принципиальная оптическая схема ПЭМ показана на рис. 4.2.

Осветительная система микроскопа включает электронную пуш-

ку и конденсорную линзу 4. Электронная пушка служит источником первичного электронного пучка и состоит из катода 1, эмитирующего электроны, фокусирующего электрода 2 (цилиндр Венельта – на него подается большой отрицательный потенциал) и анода 3 в виде пластинки с отверстием. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, а между анодом и катодом создается мощное электрическое поле с ускоряющим напряжением от 500 до 3500 кВ.

Высокий отрицательный потенциал на цилиндре Венельта препятствует эмиссии электронов с катода, кроме области вблизи его острия,

идействует как собирающая линза. Электрическое поле между анодом

ицилиндром Венельта действует как рассеивающая линза, которая совместно с предыдущей обеспечивает узкий пучок первичных электронов высокой интенсивности. Пучок электронов, испускаемый электронной пушкой, фокусируется с помощью системы конденсорных линз в маленькое пятно (~2…3 мкм) на образце 8. Исследуемый образец 8 располагается на очень мелкой сетке, вкладываемой в специальный держатель, и помещается вблизи входа в канал наконечника объективной линзы 6 с большой оптической силой. Эта линза определяет предельное возможное разрешение прибора.

171

Рис. 4.2. Принципиальная оптическая схема ПЭМ:

а – режим изображения; б – режим микродифракции [1]

Почти параллельный падающий пучок электронов рассеивается, проходя через образец 8. Часть рассеянных электронов проходит через диафрагму 9 объективной линзы и дает увеличенное промежуточное изображение предмета в плоскости селекторной диафрагмы 10. Это изображение переносится промежуточной линзой 5 в плоскость полевой диафрагмы 11 с небольшим (обычно до 10) увеличением, и затем главная проекционная линза 7 формирует увеличенное изображение на экране 12. И объективная, и главная проекционная линзы дают увеличение примерно в 100 раз каждая. Следовательно, общее увеличение

172

трехлинзового (без учета линз осветительной системы) электронного микроскопа 100 000. Увеличение изменяют, изменяя ток в обмотках линз проекционной системы: в главной проекционной линзе 7 ступенчато, а в промежуточной 5 – непрерывно.

Электронная пушка

Существуют различные типы пушек: термоэлектронная эмиссия; эмиссия Шоттки и автоэмиссионная, или пушка с полевой эмиссией. В термоэмиссионных пушках используются два типа катодов: воль-

фрамовые (W) и на гексабориде лантана (LaB6). Постоянный ток

нагревает либо V-образную вольфрамовую нить, либо заостренный короткий стержень из гексаборида лантана до температуры 2700 К и 1400…2000 К соответственно. В результате термоэлектронной эмиссии катод испускает электроны. Отрицательное смещение на фокусирующем электроде используется для управления величиной эмиссии катода. Высокое напряжение смещения сужает область эмиссии до небольшого участка, ограничивая ток эмиссии, а снижение смещающего напряжения увеличивает область эмиссии и общий ток эмиссии. Увеличение тока накала катода приводит к росту тока электронного пучка только до определенного значения, после чего ток электронного пучка катода достигает насыщения.

Эмитированные катодом и сфокусированные цилиндром Венельта электроны сводятся в точку между катодом и анодом, представляющую собой виртуальный источник электронов для всей остальной оптики микроскопа (кроссовер). Размер кроссовера зависит от типа катода, напряженности электрического поля между катодом и анодом и угла выхода электронов из катода. При малом напряжении смещения эмиссия электронов происходит из большей области скругленного катода, что приводит к возрастанию углов эмиссии, увеличивая тем самым и геометрический размер источника.

В электронных пушках с катодом Шоттки термоэлектронная эмиссия растет при приложении электрического поля к поверхности самого катода. Это поле снижает величину потенциального барьера на Δφ (эффект Шоттки, рис. 4.3), что приводит к экспоненциальному ро-

сту плотности тока эмиссии (на exp( / kT ) ). Катод Шоттки пред-

ставляет собой приваренный к концу V-образной вольфрамовой проволоки заостренный кристалл вольфрама. Для снижения работы выхода острие покрыто оксидом циркония (ZrO) и выступает из цилиндра

173

Венельта примерно на 0,3 мм. Экстрактор (ускоряющий электрод) создает на поверхности острия ускоряющее поле, вытягивая электроны из самого острия и обеспечивая, таким образом, высокие значения плотности тока эмиссии (107 А/м2).

Рис. 4.3. Зонная диаграмма энергетических уровней электронов катода при приложенных к его поверхности электрических полях.

Пунктиром показана эмиссия Шоттки; сплошной линией – полевая эмиссия электронов [19]

В электронных пушках с полевой эмиссией эмиссия электронов возрастает вследствие квантово-механического туннелирования через потенциальный барьер на поверхности катода, который благодаря приложенному электрическому полю становится прозрачным

(рис. 4.3).

Вероятность туннелирования повышается, когда ширина барьера становится сравнима с длиной волны де Бройля электрона.

В автоэмиссионных катодах цилиндр Венельта заменяется ускоряющим электродом (экстрактором), на который подается положительный относительно острия катода потенциал. Эмиссия электронов регулируется напряжением на экстракторе. Острие делают максимально острым электролитическим травлением короткого куска вольфрамовой проволоки. Эмиссия электронов происходит из предельно малого

174

участка катода, что обеспечивает эффективный диаметр менее 10 нм и позволяет сформировать электронный пучок субнанометровых размеров с помощью одной линзы. Высокая яркость в пушках с автоэмиссионным катодом достигается благодаря высокой направленности электронного пучка и тому, что большое количество электронов излучается с ограниченной площади. Кроме того, пушки с автоэмиссионным катодом обладают небольшим разбросом по энергии из-за низких рабочих температур и геометрии эмиссии (небольшой размер виртуального источника и гораздо больший размер излучающей области). Так как автоэмиссионный катод не требует подогрева и может работать при комнатной температуре, то процесс часто называют холодной полевой эмиссией. В отличие от термоэмиссионной пушки, где кроссовер образуется непосредственно ниже эмиттера, виртуальный источник электронов в пушке с полевой эмиссией располагается внутри острия.

Электронный пучок должен иметь определенные параметры, которые обусловлены как самим источником электронов, так и конструкцией пушки. Основные параметры электронного пучка: 1) интенсивность (плотность эмитируемого тока); 2) яркость (плотность тока в единице телесного угла); 3) когерентность и 4) стабильность.

Интенсивность эмиссии снижается при переходе от термоэлектронного катода к автоэмиссионному, но яркость повышается вследствие того, что область эмиссии и эффективный диаметр источника уменьшаются гораздо быстрее.

Яркость электронного источника сохраняет одно и то же значение в любой плоскости изображения, и это явление известно как принцип сохранения яркости [19].

Для получения когерентного пучка электронов необходимо создать пучок, в котором все электроны будут иметь одинаковую длину волны.

В реальном пучке имеется разброс по энергиям электронов и электрон можно представить в виде волнового пакета с длиной когерент-

ности lк vh / E , где v – скорость электронов; h – постоянная Планка.

В случае термоэлектронных источников и катодов Шоттки разброс по энергиям обусловлен статистическим разбросом тепловой энергии электронов катода, зависящей от его температуры. В случае автоэмиссионного катода разброс по энергиям обусловлен тем, что некоторые электроны эмитируют с различных энергетических уровней внутри

катода ниже уровня Ферми [20]. В обоих случаях разброс возрастает с током эмиссии вследствие взаимодействия между электронами в

кроссовере (эффект Берша). Кроме того, увеличение приводит к

175

увеличению хроматической аберрации и снижению разрешающей способности как в ПЭМ, так и в СЭМ.

Для увеличения длины когерентности необходимо использовать стабилизированные блоки питания источника электронов и высокого напряжения. Стабильность пучка определяется стабильностью источника электронов и высокого напряжения. Термоэлектронные источники более стабильны, чем автоэмиссионные.

Электронная оптика

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое, – оптическими линзами.

Воснове действия электростатической линзы лежит взаимодействие движущегося электрона с однородным электростатическим полем. Простейшей осесимметричной электростатической электронной линзой является диафрагма с круглым отверстием, поле которой граничит с одной или двух сторон с однородными электрическими полями.

Взависимости от распределения потенциала она может служить собирающей (пучок заряженных частиц) или рассеивающей линзой. Электроны, проходящие вдоль оптической оси, равномерно отталкиваются от всех точек электрода, не испытывая отклонения, в то время как электроны, движущиеся на некотором расстоянии от оптической оси, отклоняются обратно к оптической оси, как показано на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Движение электронов в фокусирующей электростатической линзе [19]

176

В электромагнитной линзе траектория электронов изменяется магнитным полем. Такая линза представляет собой катушку, через которую течет постоянный электрический ток, и корпус определенной формы, изготовленный из магнитного сплава. Ток, текущий через катушку, генерирует магнитное поле в корпусе. Там, где в корпусе выполнен воздушный зазор, магнитное поле выходит наружу, создавая поле линзы, используемое для фокусировки пучка электронов. Воздействие линзы на пучок определяется формой наконечника. Полюсный наконечник – это самая главная деталь магнитной линзы, которая обеспечивает магнитное поле с аксиальной симметрией для фокусировки электронов. Конструкция наконечника оказывает наибольшее влияние на электронно-оптические характеристики микроскопа.

Для осуществления фокусировки электронов, как и в случае электростатической линзы, необходимо поле, обладающее осевой симметрией. Такое поле создается короткой катушкой (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Движение электронов в фокусирующей электромагнитной линзе [19]

Известно, что со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца, которая сообщает им центростремительное ускорение, заставляя двигаться по окружности, не меняя его скорости. Но при движении электрона в таком неоднородном магнитном поле, как на рис. 4.5 и 4.6, действующая на него сила будет непрерывно меняться вследствие непрерывного изменения в каждой точке траектории вектора магнитной индукции.

Электрон, движущийся вдоль оси катушки, имеет вектор скорости, параллельный вектору магнитной индукции и, следовательно, магнит-

177

ное поле на него не действует и он не меняет своей траектории. Электрон, движущийся к оптической оси под углом θ, имеет и параллель-

ную (осевую) vZ , и нормальную vr (рис. 4.5) к силовым линиям компоненты скорости.

Рис. 4.6. Принцип действия электромагнитной линзы:

а – траектория электронов, проходящих через воздушный зазор между полюсными наконечниками; б – траектория фокусировки электронов; в – вращательная траектория движения электронов [22]

В этом случае движение будет происходить по сложной геликоидальной траектории: под действием vr будет происходить движение

по окружности, а под действием компоненты vZ – вдоль силовой ли-

нии поля.

Результатом будет отклонение электрона к оси катушки (точка I на рис. 4.5). Точка I есть изображение точки О, которое в короткофокусной сильной линзе расположено вне магнитного поля, т. е. вне линзы. Длинная катушка создает более однородное поле и является слабой длиннофокусной электромагнитной линзой. Изображение источника электронов в такой линзе расположено внутри самой линзы. Длиннофокусные линзы дают увеличение порядка 10 и не используются в электронной микроскопии, а короткофокусные – порядка 100 [23].

178

Для короткой линзы справедливо известное в геометрической световой оптике уравнение Ньютона: 1/ a 1/ b 1/ f , где a и b – рас-

стояние от линзы до объекта и изображения соответственно; f – фокусное расстояние. Увеличение равно M b / a, или, принимая во

внимание, что, как и в световой оптике, a ≈ f, имеем M = b/f.

В отличие от оптических линз положение электронных линз фиксировано, а фокусное расстояние изменяется вариацией тока через обмотку линз.

Предельное разрешение электронного микроскопа и дефекты электронных линз

Под разрешающей способностью прибора понимают его способность разрешать близко расположенные детали образца. Другими словами, разрешающая способность – это наименьшее расстояние между двумя точками объекта, при котором эти точки на изображении разрешаются как две отдельные точки. Разрешающая способность электронного микроскопа определяется эффективной длиной волны электронов.

Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество электронного микроскопа в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Теоретическое предельное разрешение электронного микроскопа ограничено дифракцией и сферической аберрацией электромагнитных линз (в первую очередь объективной линзы).

Конечные размеры линзы приводят к дифракции лучей на ее краях, ограниченных апертурой. Дифракция приводит к тому, что точка изображается так называемым диском Эйри, радиус которого – это теоретически наименьший радиус изображения точки и, следовательно, дифракционный предел разрешения.

Дифракционный предел разрешения просвечивающего электронно-

го микроскопа можно оценить из соотношения D 0,61 / a [24], где

λ – длина волны электрона, а равна полуширине угловой апертуры, которая может быть аппроксимирована отношением радиуса объективной диафрагмы и фокусного расстояния объективной линзы.

179

Релей показал, что если максимум от одного из источников приходится на минимум от другого, то результирующее распределение будет

Рис. 4.7. Критерий Релея: разрешение двух соседних точек

иметь минимум в середине около 80 % от максимума. В этом случае глаз различает изображение как два накладывающихся источника. Этот критерий Релея принят в практической микроскопии для определения разрешения (рис. 4.7). Исходя из этого критерия, видно, что для увеличения разрешения необходимо уменьшить λ, т. е. увеличить энергию.

Наряду с дифракционными ограничениями разрешающую способность ухудшают различного рода дефекты, называемые в оптике аберрациями. Аберрации оптических

систем (лат. aberratio – уклонение), погрешности изображений, вносимые оптическими системами и проявляющиеся в том, что оптические изображения в ряде случаев оказываются окрашенными или не вполне

отчетливы, не точно соответствуют объекту.

Для электронного микроскопа наибольшую актуальность имеет сферическая аберрация объективной линзы. Сферическая аберрация обусловлена тем, что лучи, проходящие через участки линзы, расположенные на различных расстояниях от оптической оси, фокусируются на различных расстояниях от центра линзы, т. е. имеют разные фокусные расстояния. Поэтому фокус линзы будет размыт вдоль оптической оси.

Сферическую аберрацию можно оценить из соотношения

S C 3 [24], где С – коэффициент сферической аберрации линзы,

составляющий в объективах высокого разрешения величину обычно примерно 2 или 3 мм.

Сравнивая дифракционную ошибку D и сферическую аберрацию S , можно видеть, что дифракционная ошибка возрастает с

уменьшением значения , тогда как величина сферической аберрации при этом снижается.

Следовательно, существует оптимальная угловая апертура, соответствующая минимальной аберрации: опт А 1/4C 1/4 , min B 3/4C1/4 ,

180